Радиоактивационный метод анализа

Радиоактивационный анализ — физический метод анализа, который возник и развился после открытия атомной энергии и создания атомных реакторов. Он основан на измерении радиоактивного излучения эле­ментов. Анализ по радиоактивности был известен и ранее. Так, измеряя естественную радиоактивность урановых руд, определяли содержание в них урана. Аналогичный метод известен для определения калия по радиоактивному изотопу этого элемента. Активационный анализ отличается от этих методов тем, что в нем измеряют интенсивность излучения радиоизо­топов элементов, образовавшихся вследствие бомбар­дировки анализируемой пробы потоком элементарных частиц. При такой бомбардировке происходят ядер­ные реакции и образуются радиоактивные изотопы элементов, входящих в состав анализируемой пробы.

Активационный метод анализа характеризуется низким пределом обнаружения (табл. 2), и в этом заключается его основное преимущество по сравнению с другими методами анализа.

Из таблицы видно, что более чем для 50 элемен­тов предел обнаружения ниже 10^-9 г.

Периоды полураспада и энергии излучения обра­зовавшихся радиоактивных изотопов различны для отдельных элементов, в связи с чем можно достигнуть значительной специфичности определения. В одной навеске анализируемого материала можно определить большое число примесных элементов. Наконец, досто­инством метода является то, что нет необходимости в количественном выделении следов элементов — при­менение эталонов позволяет получить правильный ре­зультат даже в случае потери некоторой части опре­деляемого элемента.

К недостаткам метода следует отнести необходи­мость применения сложной и дорогой аппаратуры; кроме того, должна быть обеспечена защита исполни­телей анализа от радиоактивных излучений.

В активационном анализе можно использовать для облучения пробы разнообразные элементарные частицы: нейтроны, протоны, α-частицы, а также γ-излучение. Чаще всего применяют облучение нейтронами, этот раздел активационного анализа называют нейтронным анализом. Обычно используют поток медлен­ных тепловых нейтронов.

Источниками нейтронов могут служить ядерные реакторы, в которых происходит управляемая цепная реакция деления ядер урана. Известны нейтронные генераторы, в которых для получения нейтронов ис­пользуют реакции взаимодействия дейтерия с тритием, а также другие устройства.

Образовавшиеся в результате облучения пробы по­током нейтронов радиоактивные изотопы элементов претерпевают радиоактивный распад.

Главными типами такого распада являются следующие.

1. α-Распад характерен для наиболее тяжелых элементов. Вследствие такого распада заряд ядра уменьшается на две единицы, а масса — на четыре единицы.

2. β-Распад, при котором массовое число элемента сохраняется, но заряд ядра изменяется на единицу — в большую сторону при испускании ядром электронов и в меньшую — при излучении позитронов. Излучение имеет непрерывный энергетический спектр.

После α - или β-распада образовавшееся в результате распада ядро нередко находится в возбужденном состоянии. Переход таких ядер из возбужденного состояния в основное обычно сопровождается γ-излучения. γ-Излучение ядер имеет дискретный характер с очень узкой шириной линий. Такое излучение в прин­ципе может служить для однозначной идентификации радиоизотопов.

Обычно применяют следующий способ анализа. Одновре­менно е анализируемым образцом подвергают облучению в тех же самых условиях эталонный образец, в котором содержание данного элемента известно. После облучения измеряют активность эталона А_эт и пробы А_пр и находят искомую массу m_пр из соотношения:

Нейтронный активационный анализ применяют обычно для определения микроколичеств элементов в каких-либо чистых веществах. Примером может служить определение примесей в металлическом гер­мании, применяющемся в полупроводниковой про­мышленности. Такими примесями могут быть мышьяк, сурьма, медь, молибден, цинк, галлий, натрий, редко­земельные и другие элементы, причем суммарное их содержание не превышает 10^-5—10^-6 %.

Облучение потоком нейтронов, длительность кото­рого может составлять от нескольких часов до не­скольких суток, приводит к превращению всех элемен­тов пробы в радиоактивные изотопы. Поэтому не­посредственное измерение активности облученного образца не дает возможности определить содержание примеси каждого элемента в отдельности. Необхо­дима предварительная химическая обработка мате­риала. Полный нейтронный активационный анализ включает в себя следующие этапы.

1. Облучение эталонного и анализируемого об­разца в ядерном реакторе или посредством нейтрон­ного генератора.

2. Химическая обработка:

а) переведение образцов в раствор и отделение примесей от основного компонента; так, в случае ме­таллического германия это может быть осуществлено отгонкой тетрахлорида германия из раствора соляной кислоты;

б) прибавление носителей — неактивных солей определяемых элементов — около 10 мг каждого, не­обходимое для устранения возможных потерь опреде­ляемых элементов при дальнейшем химическом раз­делении;

в) химическое разделение определяемых элемен­тов-примесей сначала на отдельные группы, а затем и на отдельные элементы методами ионного обмена, экстракции, дистилляции, осаждения органическими реагентами и др.